煤层钻进工作状态衰变机理及其装备自适应控制方法

Gas drainage through the holes drilled in coalseam is the basic means to prevent and control gas disasters in coal mining, such as outburst of gas, gas explosion,etc. Intelligent drilling is an automated drilling method with the help of MWD instruments,especially for the development of high-risk resource of soft and outburst coalseam. Drilling accidents,such as hole collaps and jamming of tools, often happen in the process of in-seam drilling. Automatically handling these failure behaviors in drilling process is the key for intelligent drilling..In this project, the mechanism of in-seam drilling failures and the methods of adaptive control for drilling device are studied through modeling, simulating, experiments and field tests. Drilling failure is viewed as the state degradation under the interactions among three factors of rig, tool and coalseam. The research contents include the following five parts: (1)rig-tool-seam coupled model and its decoupled mechanism; (2)dynamic response analysis of drilling system and model of state degradation for drilling failures; (3)adaptive control strageties of drilling process and the methods of eliminating failures; (4)development of adaptive control system and its application in intelligent drilling..Through this research, the dynamics theory of in-seam drilling will be improved. The development of intelligent drilling device for less or no people working face in future can be effectively supported by the proposed theory and method. The research in this project will not only bring new ideas to the design methodology of modern drilling and tunnelling devices, but also be helpful to improve the design level of coal mining machinary, even the safe and efficient mining in coals.

煤层钻孔抽采瓦斯是煤矿防治瓦斯灾害的基本手段，塌孔、喷孔、卡钻等钻进失效处理是实现智能煤层钻进的关键。从钻机-钻具-煤岩三者的耦合作用出发，综合应用煤岩切削理论、机械动力学、自动控制和信息处理技术，将钻进失效视作三者相互作用下钻进工作状态的衰变过程，通过理论建模、数值仿真、实验研究和现场试验，探索并揭示煤岩钻进的失效机理并提出其装备的自适应控制方法。主要研究内容包括：1）钻机-钻具-煤岩的一体化耦合动力学建模及解耦原理；2）钻进系统动态响应分析及钻进失效状态衰变过程建模；3）钻进装备的自适应控制策略与失效消解方法；4）钻进自适应控制系统开发与井下智能煤层钻进装备应用。项目研究不仅有助于完善煤层钻进动力学理论，而且能为未来少人或无人工作面的智能钻进装备开发提供理论和技术支持，对于提升我国煤矿装备的设计水平进而促进煤矿安全高效生产具有重要意义，也对其它现代钻掘装备的开发具有借鉴和指导意义。

瓦斯抽采不仅是消除煤矿瓦斯动力灾害的基本手段，也是开发与利用煤层气能源的关键步骤。煤矿井下瓦斯抽采主要通过煤层近水平钻孔来实现，其主要技术装备——瓦斯抽采钻机的性能直接影响着钻进成孔率和瓦斯抽采效果。.从钻机—钻具—煤岩三者的耦合作用出发，综合应用煤岩切削理论、机械动力学、自动控制和信息处理技术，将钻进失效视作三者相互作用下钻进工作状态的衰变过程，通过理论建模、数值仿真、实验研究和现场试验，探索并揭示煤岩钻进的失效机理并提出其装备的自适应控制方法。主要研究内容包括：.在综合考虑钻头，钻杆的结构特点，边界条件及钻压、钻速、自重、摩擦力、钻井液浮力等载荷作用的基础上，建立了钻机-钻具-煤岩的非线性动力学模型，分析了有限元显式算法及隐式算法各自的特点，采用显式—隐式结合算法对非线性动力学方程进行求解。应用有限元软件ABAQUS对钻机-钻具-煤岩进行了仿真分析。.分析了影响煤岩孔壁稳定性的因素,通过孔壁煤岩的力学分析获得了空隙瓦斯压力、冲洗液压力、钻杆横向扰动对孔壁稳定性的影响形式。以剑桥模型为骨架，结合固结理论、应用多空介质的有效应力原理，建立孔壁煤岩力学模型，通过ABAQUS仿真模拟求解、分析了空隙压力、冲洗液压力对孔壁稳定性的影响。.利用负压空气独有的特性，结合橡胶良好的弹性性能，设计了一种囊式负压空气隔振器。对负压隔振原理进行了定性分析、力学建模分析、理论仿真分析以及实验验证结果表明，囊式负压空气隔振器可以获得理想的低频隔振效果。.以千米定向钻机为具体对象，研究了钻机虚拟样机实现的关键技术。对千米定向钻机液压系统的两个基本回路，即回转回路和给进回路的动态特性进行了分析，获得其在定向钻进工况下的运动和动力特性。开发了钻进过程自适应控制系统，并进行了钻进过程自适应控制的地面和井下现场试验，并将研究成果应用于智能煤层钻进装备开发中。.项目研究不仅有助于完善煤层钻进动力学理论，而且能为未来少人或无人工作面的智能钻进装备开发提供理论和技术支持，对于提升我国煤矿装备的设计水平进而促进煤矿安全高效生产具有重要意义，也对其它现代钻掘装备的开发具有借鉴和指导意义。